基于 制的并聯(lián)型電力有源濾波器的設(shè)計和研究 摘 要 電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，一方面給電能的變換和應(yīng)用帶來了方便，另一方面又給電力系統(tǒng)帶來了較嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，如諧波污染、無功問題、電壓波動及不平衡等。有源電力濾波器 (公認(rèn)為是治理電網(wǎng)諧波及無功污染、改善電能質(zhì)量最有效的手段，已成為電力電子技術(shù)應(yīng)用中一個比較新的研究熱點。但是 國內(nèi)的應(yīng)用還遠沒達到成熟階段，與無源濾波器相比， 在實際應(yīng)用中仍然居于次要地位， 有很多問題有待于進一步研究和完善。為此，本文設(shè)計了容量為 50有源濾波器并對其電流檢測檢測、控制及實現(xiàn)技術(shù)進行了深入的研究，這些研究工作對于 早日工業(yè)化推廣應(yīng)用具有重大的意義。 本文対 50聯(lián)型 主電路及其外圍電路進行了深入的研究。詳細討論了主電路開關(guān)器件的選擇、緩沖電路和驅(qū)動保護電路的設(shè)計；并且采用理論分析和仿真實驗相結(jié)合的方法，給出了直流母線電壓的取值、直流母線電容量的選擇以及交流側(cè)輸出電感值的選擇方法。并根據(jù)上述分析方法的出了 50聯(lián)型 主電路具體器件選型及外圍電路的詳細設(shè)計參數(shù)。 本文還討論了 50聯(lián)型 制系統(tǒng)的設(shè)計， 采用了基于 并對控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計進行了研究。 硬件電路中采用定時器控制死區(qū)、 統(tǒng)一邏輯硬件保護以及利用 485 總線傳輸觸發(fā)脈沖信號使得系統(tǒng)的安全性和可靠性大大提升，同時利用 富的接口功能擴展了鍵盤、液晶、 線等使得控制系統(tǒng)具有良好的擴展性。 軟件系統(tǒng)的設(shè)計中， 針對電流檢測采用了一種基于滑窗迭代的實時傅立葉變化的電流檢測方法，該算法軟件實現(xiàn)十分方便，計算量很小，使用范圍廣，實現(xiàn)了檢測精度和動態(tài)響應(yīng)速度的一致性， 并針對直流側(cè)電壓設(shè)計了單周期控制的控制策略。軟件算法的計算周期為 100得 有良好的動態(tài)特性。 最后在 50聯(lián)型 驗樣機上進行了實驗，并給出了典型的實驗數(shù) 據(jù)和波形，實驗結(jié)果驗證了本文上述工作的正確性。 關(guān)鍵詞： 諧波，有源電力濾波器， 窗迭代，單周期控制 F N he of on on to in as or a in to as PF in to in in in on is of to 0PFs of of C DC C of of of 0PF to In of of PF is of SP( of is up 0PF in 目 錄 第一章 緒論 .力系統(tǒng)諧波問題研究概述 . 諧波產(chǎn)生的原因 . 諧波的危害及質(zhì)量意義 . 電力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn) .波的抑制方法 .源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 . 分類 . 電流檢測方法 . 電流控制方法 .文所做的工作及意義 .二章 有源電力濾波器主電路的研究 .電路功率開關(guān)器件及其外圍電路的選擇 . 主電路功率開關(guān)器件的選擇 . 緩沖電路 . 驅(qū)動電路 .流母線電容的設(shè)計 . 直流母線電壓的選擇 . 直流母線電容量的選擇 .流側(cè)輸出電感設(shè)計 .0聯(lián)型有源電力濾波器主電路參數(shù)設(shè)計 .章小結(jié) .三章 有源濾波器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 .功能模塊整體設(shè)計 .感器模塊 .號轉(zhuǎn)換和調(diào)理模塊 .動模塊 .護模塊 . 死區(qū)控制電路 . 統(tǒng)一保護邏輯的設(shè)計 .信及外圍模塊 .源的設(shè)計 .章小節(jié) .四章 有源濾波器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .程序流程 .時傅立葉變換 .流側(cè)電壓控制 .令電流的計算 .章小結(jié) .五章 實驗系統(tǒng)以及實驗結(jié)果 .驗系統(tǒng)組成 .驗波形 .章小結(jié) .六章 結(jié)論 .考文獻 . 謝 .讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文 . 1 頁 第一章 緒論 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷大量增加。各種非線性和時變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開關(guān)電源大規(guī)模的應(yīng)用，其負(fù)面效應(yīng)也日益明顯。電力電子裝置的開關(guān)動作向電網(wǎng)中注入了大量的諧波和次諧波分量，導(dǎo)致了交流電網(wǎng)中電壓和電流波形的嚴(yán)重失真， 從而代替了傳統(tǒng)的變壓器等鐵磁材料的非線性裝置引起的諧波，成為最主要的諧波源。同時辦公自動化和家用電器的日益普及，民用和商業(yè)用電在城市中的比例日益增大，并且工作同時性強，所以逐漸成為配電網(wǎng)諧波污染的主要來源。電能質(zhì)量的下降嚴(yán)重影響著供、用電設(shè)備的安全經(jīng)濟運行，降低了人們的生活質(zhì)量。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備的燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤操作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實施“綠色電力電子”的呼聲日益高漲。對于電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一，對電力系統(tǒng)諧波污染的治理也已成為電工科學(xué)技術(shù)界所必須解決的問題。 力系統(tǒng)諧波問題研究概述 “諧波”一詞起源于聲學(xué)，在聲學(xué)中表示一根弦或一個空氣柱以基波頻率的倍數(shù)頻率振動，電氣信號中的諧波定義也是如此。 在理想的交流供電系統(tǒng)中，電源以單一恒定的頻率 (我國是 50規(guī)定幅值的電壓、完整的正弦變化規(guī)律向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)中各點的電壓和電流彼此之間僅存在幅值和相位的差異。 但隨著各種電力電子變流裝置和非線性負(fù)載的比重不斷增加，引起電力系統(tǒng)中的電流和電壓波形產(chǎn)生了畸變。從頻域的角度來看，在這些畸變的電流和電壓波形中，不僅包含了與供電電源同頻率的正弦量，而且出現(xiàn)了一系列頻率為基波整數(shù)倍的正弦分量，這一系列的正弦分量統(tǒng)稱為諧波。在國際電工標(biāo)準(zhǔn) (國際大電網(wǎng)會議 (文獻中定義： “諧波分量為周第 2 頁 期量的傅立葉級數(shù)中大于 1 的 h 次分量” 。 我國對諧波1研究起步于上世紀(jì) 80 年代，在 90 年代有了長足的發(fā)展，與國外研究水平的差距正在不斷縮小。近年來，國內(nèi)期刊和有關(guān)會議上發(fā)表的諧波相關(guān)問題的研究論文也非常多，諧波問題已經(jīng)成為研究熱點。 波產(chǎn)生的原因 引起波形畸變的諧波源6多種多樣的，在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個環(huán)節(jié)中都有可能會產(chǎn)生諧波。一般情況下，電網(wǎng)中的諧波主要來自以下3 個方面： 一是供電電源本身產(chǎn)生諧波； 二是輸配電系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。其中非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波占的比重最大。 發(fā)電機是公共電網(wǎng)中的電源。當(dāng)在發(fā)電機勵磁繞組中通以直流電流，并在磁極作用下產(chǎn)生按正弦分布的磁場時，定子繞組中將感應(yīng)出標(biāo)準(zhǔn)的正弦電動勢。但這只是理想的情況，在實際的發(fā)電機中，由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱、鐵心也很難做到絕對均勻一致以及其它一些原因，定子感應(yīng)電動勢不可能是理想的正弦波，因此在電源側(cè)輸出電壓中就會包含一定含量的諧波，這種諧波電動勢的頻率和幅值只取決于發(fā)電機本身的結(jié)構(gòu)和工作情況，基本與外接負(fù)載無關(guān)，可以看作恒定的諧波電壓源。由于在設(shè)計發(fā)電機時，通常會采取許多措施削弱諧波電動勢的影響，所以其輸出電壓的諧波含量是很小的。 輸配電系統(tǒng)中最主要的諧波源是電力變壓器。 由于變壓器鐵心存在不同程度的飽和以及磁化曲線的非線性，再加上設(shè)計變壓器時考慮到經(jīng)濟性，其工作磁密通常選擇在磁化曲線的近飽和段上，就會使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有分布較廣的奇次諧波。各次諧波的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中 3次諧波電流甚至可達額定電流的 其次，一些由功率開關(guān)器件控制的基于移相原理的補償和自動裝置，如高壓直流換流站的整流 /逆變裝置等，由于器件開關(guān)特性的影響， 也會造成波形的不連續(xù)或形變， 從而在輸配電線路中形成諧波。 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負(fù)載11隨著現(xiàn)代工業(yè)、電氣化鐵路和人民生活的高速發(fā)展，大量非線性用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生大量諧波注入電網(wǎng)，使電能質(zhì)量下降。以晶閘管整流設(shè)備為例，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，給電網(wǎng)留下的也是另一部分第 3 頁 缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。由于晶閘管整流器在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近 40%，這是最大的諧波源。另外，工礦企業(yè)中用到的各種變頻裝置、電弧爐、電石爐等設(shè)備，也均是較大的諧波源，而且其諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還可能含有分?jǐn)?shù)次諧波，由于這類裝置的功率一般較大，對電網(wǎng)造成的諧波危害也越來越大。除此以外，其它像電視機、日光燈、電池充電器等居民用電裝置也會產(chǎn)生諧波。雖然這些單個裝置的功耗都不大，但由于數(shù)量很多，它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。 波的危害及質(zhì)量意義 諧波對各種電力設(shè)備、通信設(shè)備都會產(chǎn)生有害的影響，嚴(yán)重時會造成設(shè)備的損壞和電力系統(tǒng)事故。尤其是近年來電力電子設(shè)備的迅速增長，諧波的危害日趨嚴(yán)重。諧波對公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害13要有以下幾個方面： （ 1）諧波使公用電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加的功 率損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。在二相四線制電網(wǎng)系統(tǒng)中，零線會由于流過大量的 3 次及其倍數(shù)次諧波電流造成零線過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。 （ 2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使旋轉(zhuǎn)電機 (發(fā)電機和電動機 )發(fā) 熱、產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和噪聲，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、 絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。 （ 3）諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動控制裝置的誤動或拒動，并使電氣測量儀表的訓(xùn)一量不準(zhǔn)確。 （ 4）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。 （ 5）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大， 這就使前幾個方面的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。 綜上所述，對電能質(zhì)量已經(jīng)不能僅用頻率和電壓這兩個指標(biāo)來評價了，諧波已成為衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。 因此， 無論是從保障電力系統(tǒng)安全、 穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的角度還是從用戶用電設(shè)備安全、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限制在允許范圍之內(nèi)，還電網(wǎng)一個潔凈的電氣環(huán)境，營造“綠色電網(wǎng)” ，都第 4 頁 已經(jīng)迫在眉睫。整體而言，我國諧波治理的水平還比較低，對電力科技工作者來說，諧波治理問題的研究具有十分重大的理論和現(xiàn)實意義。 力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn) 諧波的危害和影響引起了世界各國的高度重視，紛紛制訂了各項標(biāo)準(zhǔn)，對供電電網(wǎng)和用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波進行限制。 美國海軍早在 20世紀(jì) 70年代就發(fā)現(xiàn)了諧波的影響并第一個制訂了諧波限制標(biāo)準(zhǔn) 前仍然被美國軍方廣泛使用。 1982 年國際電工委員會一次指定了通用電器設(shè)備產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，即 在其后的執(zhí)行過程中修訂完善，目前已經(jīng)被世界許多國家承認(rèn)和接受，在歐、美等發(fā)達國家己經(jīng)成為強行執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。 1993 年，美國電氣與電子工程師協(xié)會 一步完善了 準(zhǔn)，并在其基礎(chǔ)上補充了對高壓、大功率用電負(fù)荷產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，形成了 19波限制標(biāo)準(zhǔn)。 我國對諧波標(biāo)準(zhǔn)問題的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代。 1982 年 9 月，原水電部組成電力系統(tǒng)諧波研究小組，重點考察了英國 1976 年頒發(fā)的 電力系統(tǒng)諧波管理技術(shù)規(guī)范工程導(dǎo)則16，并組織編寫了電力系統(tǒng)諧波管理的暫行規(guī)定267，自 1985 年 1 月 1 日起執(zhí)行。 1986 年 4 月，原國家標(biāo)準(zhǔn)局關(guān)于發(fā)送“一九八六年制、修訂國家標(biāo)準(zhǔn)項目計劃”的通知中明確指出“電力系統(tǒng)高次諧波分量”的國家標(biāo)準(zhǔn)由原水電部生產(chǎn)司和鐵道部基建總局共同起草。 1991年，諧波國家標(biāo)準(zhǔn)起草小組提交了電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波初稿。國家技術(shù)監(jiān)督局于 1993 年發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 14549能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波18，從 1994 年 3 月 1 日開始實施。該標(biāo)準(zhǔn)同時還規(guī)定了諧波測量和測量數(shù)據(jù)處理以及確定諧波水平的方法19 該標(biāo)準(zhǔn)的正式頒發(fā)標(biāo)志著我國諧波綜合治理工作走上了標(biāo)準(zhǔn)化道路。 波的抑制方法 目前諧波治理的措施主要有兩種： （ 1）主動治理：即從諧波源本身出發(fā)，對其 進行改造，降低諧波源產(chǎn)生的諧波和消耗的無功功率，如有源功率因數(shù)校正技術(shù)和各種 流技術(shù)。 第 5 頁 （ 2）被動治理：即設(shè)置諧波補償裝置，外加各種無源、有源濾波裝置，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。 這兩種方法有各自的優(yōu)點和適用范圍，近年來都得到了較快的發(fā)展。 主動治理措施主要有以下幾種： （ 1）增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)21，但是這會使得裝置更加復(fù)雜。 （ 2）采用多重化技術(shù)。將多個變流器聯(lián)合起來使用，用多重化技術(shù)將多個方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。 （ 3）采用脈寬調(diào)制 (術(shù)。采用 術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，但只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。 （ 4）設(shè)計或采用高功率因數(shù)變流器。比 如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為 1。 被動治理措施主要有以下幾種： （ 1）采用無源濾波器 (在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時還可以進行無功功率補償，運行維護簡單。 （ 2）采用有源電力濾波器 (在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型 以有效地起到補償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型 可以進行無功功率補償。 （ 3）采用混合型有源電力濾波器 ( F 成本低廉和 能優(yōu)越的優(yōu)點，屬與 分支和發(fā)展。 在被動治理諧波的措施中，無源濾波器本質(zhì)上是頻域處理方法，也就是將非正弦周期電流分解成傅立葉級數(shù)，對某些諧波進行吸收以達到治理的目的。有源濾波器則是在時域中對非正弦周期電流進行分解后，再進行適當(dāng)?shù)碾娏餮a償，從而改善系統(tǒng)的電流波形。 在電力系統(tǒng)中裝設(shè) 直是傳統(tǒng)補償無功 和抑制諧波的主要手段22 第 6 頁 其結(jié)構(gòu)簡單，既可補償無功，又可抑制諧波而一直被廣泛應(yīng)用。但 存在如下缺點：濾波補償特性依賴于電網(wǎng)和負(fù)載參數(shù)； 數(shù)的漂移會導(dǎo)致濾波特性的改變；具有負(fù)的電壓調(diào)整效應(yīng)；重量大、體積大；容易與系統(tǒng)發(fā)生諧振等。 目前的趨勢是采用電力電子裝置對諧波進行抑制24即使用 術(shù)進行諧波抑制。 一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和幅值都變化的諧波和無功電流進行補償，可以彌補 缺點，獲得比 好的補償特性，是一種理想的補償諧波裝置26 源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源濾波的思想最早是在 1971 年由 出的，當(dāng)時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補償電流，損耗大、成本高，因而僅在實驗室研究，未能在工業(yè)中實用。 1976 年， 人提出用四象限 流器構(gòu)成有源電力濾波器，正式確立了有源濾波的概念，并提出了相應(yīng)的主電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。 其基本原理是通過向電網(wǎng)注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無功電流為零，從而達到凈化電網(wǎng)的目的。但是由于當(dāng)時電力電子技術(shù)的發(fā)展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，加上限于當(dāng)時控制策略和控制芯片的水平，因而有源濾波器仍局限于實驗研究， 70年代后半期沒有得到大的進展。直到進入 80 年代以來，隨著新型電力半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展、 脈寬調(diào)制技術(shù)的不斷進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，使 到迅速完善和發(fā)展。 分類 目前投入使用的 類繁多，其分類方法也多種多樣，可以從主電路結(jié)構(gòu)、接入電網(wǎng)方式和供電系統(tǒng)形式等幾個方面對 行分類。 1按主電路結(jié)構(gòu)分類 根據(jù)主電路貯能元件的不同， 分為電流型和電壓型兩種31其電路結(jié)構(gòu)如圖 1示。 電流型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電感，在正常工作時，其電流基本保持不變，但由于電流型主電路直流側(cè)始終有電流流過，該電流將在電感的第 7 頁 內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，不適用于大容量系統(tǒng)，目前較少使用33不過隨著超導(dǎo)儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，今后可能會有更多電流型 入使用。 電壓型 主電路直流側(cè)接有大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變。電壓型 耗小、效率高、初期投資小，可任意并聯(lián)擴容，易于單機小型化，經(jīng)濟性好，適用于電網(wǎng)級諧波補償35目前使用裝置 90%以上為電壓型，技術(shù)相對成熟、完善。 圖 1主電路結(jié)構(gòu) 按接入電網(wǎng)方式分類 從接入電網(wǎng)的連接方式看， 分為并聯(lián)型37串聯(lián)型41串 5大類，其具體種類劃分如圖 1示。 圖 1統(tǒng)分類 聯(lián)型 圖 1-3(a)所示，是有源電力濾波裝置中最基本的構(gòu)成方式。并聯(lián)型 系統(tǒng)并聯(lián)等效為一個受控電流源，向系統(tǒng)注入與諧波電流大小相等，方向相反的電流，從而達到濾波的目的，主要適用于電流源型感性負(fù)載的諧波補償。并聯(lián)型 過耦合變壓器或直接并入系統(tǒng)，不會對系統(tǒng)運行造成影響，具有投切方便、靈活以及保護簡單的優(yōu)點；另外，并聯(lián)型 可以并聯(lián)使用第 8 頁 以提供大的電流，可以應(yīng)用于多種容量的場合 。目前工業(yè)上已投入運行的 并聯(lián)型 可以分為單獨使用方式、與無源濾波器混合使用方式和注入電路方式三種。其中，并聯(lián)型 無源濾波器混合使用方式又分為并聯(lián)方式和串聯(lián)方式兩種，如圖 1-3(b)，圖 1-3(c)所示；注入電路方式也分為串聯(lián)諧振注入式和并聯(lián)諧振注入式兩種，如圖 1-3(d)，圖 1-3(e)所示。 圖 1聯(lián)型 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) of 聯(lián)型 圖 1.4(a)所示，經(jīng)耦合變壓器串入系統(tǒng)，它可等效為一個受控電壓源， 主要是消除電壓源型諧波以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動對敏感負(fù)載的影響。與并聯(lián)有源濾波器相比，其主要缺點是流過很大的負(fù)載電流，使得變壓器的額定參數(shù)上升，體積變大；此外串聯(lián)型 投切和故障后的退出以及保護也較為復(fù)雜。它的主要優(yōu)點是能補償電網(wǎng)諧波電壓和三相不平衡電壓，對電壓敏第 9 頁 感性負(fù)載尤為適用，可以為負(fù)載提供一個好的系統(tǒng)電壓。目前，串聯(lián)型 應(yīng)用較少。 串聯(lián)型 可以分為單獨使用方式、與無源濾波器混合使用方式兩種。其中，串聯(lián)型 無源濾波器混合使用方式如圖 1.4(b)所示。 圖 1聯(lián)型 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) of 圖 1示，又稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（ 。它綜合了串聯(lián)型 及并聯(lián)型 種結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了兩者各自的優(yōu)點，共同組成一個完整的用戶電力裝置來解決電能質(zhì)量的綜合性問題。并聯(lián)型 接并入系統(tǒng)，起到補償諧波電流、無功電流、二相不平衡以及直流母線電壓調(diào)節(jié)作用；串聯(lián)型 過耦合變壓器串入系統(tǒng)，起到補償諧波電壓、消除系統(tǒng)不平衡、調(diào)節(jié)電壓波動與電壓閃變等作用。時擁有并聯(lián)型 串聯(lián)型 者的優(yōu)點，被認(rèn)為是最理想的 其主要缺點在于成本較高和控制復(fù)雜。對 路結(jié)構(gòu)和控制方法的研究是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點和發(fā)展方向。 圖 1基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電流檢測方法 對于 言，實時準(zhǔn)確地檢測出諧波電流是非常關(guān)鍵的，它的快速性、第 10 頁 準(zhǔn)確性、靈活性以及可靠性直接決定 補償性能。為了能快速檢測諧波電流，人們已經(jīng)提出了許多方法，下面對目前常用的諧波電流檢測方法進行簡單綜述： 1模擬濾波器51 模擬濾波器的實現(xiàn)原理是：用帶通濾波器來獲取基波分量，再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量，如圖 1示。該方法的原理和電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低，能濾除一些固有頻率的諧波。但這種檢測方法有很多缺陷： (1)檢測誤差大，電網(wǎng)頻率變化時尤其明顯； (2)對電路元件參數(shù)十分敏感，參數(shù)變化時檢測效果明顯變差； (3)無法分離出基波電流中的有功與無功分量。 圖 1擬濾波器原理圖 he of 基于 統(tǒng)功率定義的諧波電流檢測法52該檢測方法的原理是將負(fù)荷電流分解為與電壓波形一致的分量， 將其余分量作為廣義無功電流 (包括諧波電流 )。它的缺點是：因為 率定義是建立在平均功率的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)計算平均功率的方法是通過一個周期數(shù)據(jù)的積分得到，這樣會給瞬時無功電流的檢測帶來至少一個周期的延時， 這對于實時性要求高的場合就不能夠滿足要求，不適于負(fù)載變化頻繁的場合。而且只能同時檢測出諧波及無功電流，不能只檢測諧波電流或只檢測無功電流，有很大的局限性。 3頻域分析的快速傅立葉變換 (檢測法55該方法是建立在 析的基礎(chǔ)上的，因此要求被補償?shù)牟ㄐ问侵芷谧儞Q的， 否則會帶來較大誤差。通過 檢測到的一個周期的諧波信號進行分解，得各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過帶通濾波器或傅立葉變換器得到所需的誤差信號，再將該誤差信號進行 變換，即可得補償信號。 其優(yōu)點是可以選擇擬消除的諧波次數(shù)，通過附加的計算，該方法還可以通過電網(wǎng)電壓基波分量與負(fù)載電流基波分量的相位關(guān)系， 計算出負(fù)載電流的基波有功第 11 頁 和基波無功電流；而且受環(huán)境因素影響也較小。但是該方法需要進行 換及其反變換，計算量非常大，因而有較大的時間延遲。當(dāng)電網(wǎng)電壓波形畸變嚴(yán)重或者頻率波動時，將會引起較大的非同步采樣誤差，對諧波電流的檢測精度影響很大。 4瞬時空間矢量法57 基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法是目前 應(yīng)用最廣的一種檢測方法，最早是由日本學(xué)者赤術(shù)泰文于 1984 年提出的，經(jīng)過不斷改進，現(xiàn)在包括 、 。其中， 適用于電網(wǎng)電壓對稱且無畸變情況下諧波電流的檢測； 電網(wǎng)電壓不對稱時也同樣有效；而基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的 可在電網(wǎng)電壓不對稱、畸變情況下精確地檢測出諧波電流。 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測技術(shù)， 物理概念明確、 硬件實現(xiàn)簡單、檢測精度高，由于延時很小，所以動態(tài)特性好；缺點是運算量較大，且只適用于對稱無畸變的三相電壓，對于三相不對稱負(fù)載所產(chǎn)生的諧波和無功電流，檢測效果不太理想。 5自適應(yīng)干擾抵消原理的自適應(yīng)閉環(huán)檢測法58該方法利用信號處理的自適應(yīng)干擾對消原理，將電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，而得到所有諧波與無功電流之和。按此原理構(gòu)成的檢測系統(tǒng)是一個閉環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，故其運行特性與元件參數(shù)幾乎無關(guān)，對器件特性的依賴性也不大。 當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波形畸變以及頻率 波動時，檢測系統(tǒng)仍能正常工作， 具有良好的自適應(yīng)能力，但動態(tài)響應(yīng)速度較慢。由于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和電流自適應(yīng)的能力，因此人們將智能控制理論應(yīng)用到無功和諧波電流檢測上。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與信號處理中的自適應(yīng)噪聲對消技術(shù)相結(jié)合， 提出了一種基于單個神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波電流檢測方法。但這些方法大多停留在仿真研究，還沒有應(yīng)用到實際系統(tǒng)中。 6基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測法61 該方法是隨著神經(jīng)控制理論在系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展起來而形成的一種新型智能控制手段。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以自學(xué)功能性強，進化算法和方向傳播用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第 12 頁 的訓(xùn)練，不但避免了對于給定補償電流的復(fù)雜計算，且有廣泛的適應(yīng)性?？捎糜谘a償單相、三相三線或三相四線制非線性負(fù)載的 統(tǒng)。具有以下優(yōu)點： （ 1）可以通過模擬電路實現(xiàn)，所以該方法簡單而方便； （ 2）該方法對負(fù)載具有自適應(yīng)的特點； （ 3）該方法克服了采用電子濾波的時延現(xiàn)象； （ 4）該方法可以同時檢測諧波、無功、基波負(fù)序和零序電流。 電流控制方法 對于補償諧波電流而言， 作為一個受控電流源工作的，因此如何控制逆變器產(chǎn)生與指令電流相同的補償電流是決定 償性能的一個重要方面。 電流控制應(yīng)該滿足下面的基本要求： （ 1）在很寬的頻帶內(nèi)，沒有幅值和相角誤差 (理想跟蹤 )； （ 2）很好的動態(tài)性能； （ 3）有限的或恒定的開關(guān)頻率以保護功率開關(guān)器件； （ 4）較高的直流母線電壓利用率。 目前， 用的電流控制方法有滯環(huán)電流控制、三角波調(diào)制控制、空間矢量調(diào)制控制、無差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、單周控制、預(yù)測控制等，下面對它們進行簡要的介紹。 1滯環(huán)電流控制62滯環(huán)電流控制 (目前應(yīng)用最廣泛的一種非線性閉環(huán)電流控制方法， 它利用滯環(huán)比較器形成一個以給定電流為中心的死區(qū)或滯環(huán)，通過反饋電流與給定電流的滯環(huán)比較誤差來控制逆變器的開關(guān)動作。滯環(huán)電流控制中電流反饋的存在加快了動態(tài)響應(yīng)速度，增強了抑制環(huán)內(nèi)擾動的能力，控制精度較高，并且不需要知道負(fù)載的參數(shù)，還可通過防止逆變器過流而保護功率開關(guān)器件。傳統(tǒng)滯環(huán)控制也有開關(guān)頻率變化范圍大、電流變化劇烈、負(fù)載換路時被控制量常常不能得到有效控制等缺點。近年來，有學(xué)者在滯環(huán)電流控制的改進上，如矢量化、定頻化等方面作了許多研究，并取得了一定的進展。 2三角波調(diào)制控制65三角波調(diào)制控制是一種由瞬時值比較法衍生出的線性控制方法， 它將實際的出電流與指令電流的差值進行 制，然后再經(jīng)三角載波進行調(diào)制輸出關(guān)控制信號。三角波調(diào)制控制方法的優(yōu)點是開關(guān)頻率固定，但是系統(tǒng)的第 13 頁 響應(yīng)受到反饋環(huán)穩(wěn)定性要求的限制，而反饋環(huán)的穩(wěn)定性還依賴于負(fù)載參數(shù)的變化，因此即便在穩(wěn)態(tài)時也會出現(xiàn)相位滯后的問題。 3空間矢量調(diào)制控制69空間矢量調(diào)制 (由在交流電機調(diào)速中提出的磁通軌跡控制思想演變而來，該方法物理概念清晰，適合用數(shù)字化方案實現(xiàn)。它將三相整流器件作為一個整體來考慮， 通過控制與參考矢量最接近的二個開關(guān)矢量組合的作用時間，使一個控制周期內(nèi)開關(guān)矢量輸出的平均效果與參考矢量相等。 其基本思想是在矢量空間中用有限的靜止矢量去合成和跟蹤調(diào)制波的空間旋轉(zhuǎn)矢量，使合成的空間矢量含有調(diào)制波的信息。采用空間矢量脈寬調(diào)制，通過優(yōu)化開關(guān)矢量可有效降低開關(guān)頻率和減小交流側(cè)線電流的總諧波畸變率； 但受一般微控制器運算能力所限，該控制方法經(jīng)常 要在實現(xiàn)速度與合成脈寬調(diào)制 (形質(zhì)量之間進行折衷，應(yīng)用 使該控制系統(tǒng)向高可靠、高性能的全數(shù)字化方向發(fā)展。 4無差拍控制73無差拍控制 (法是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)，它根據(jù)空間矢量理論， 利用系統(tǒng)的狀態(tài)方程和當(dāng)前的狀態(tài)信息推算出下一采樣周期的開關(guān)控制量，最終達到使輸出量跟蹤輸入量的目的。該方法能快速跟蹤電流的變化，特別適應(yīng)于快速暫態(tài)控制。但是，由于其計算量大，因而對系統(tǒng)參數(shù)的依賴性較強，而有源電力濾波器是一個非線性多變量系統(tǒng)，所以無差拍控制在有源電力濾波器中應(yīng)用較少。 5滑模變結(jié)構(gòu)控制75滑?？刂?(又稱變結(jié)構(gòu)控制，它最早由前蘇聯(lián)學(xué)者在 20 世紀(jì) 50 年代提出， 并得到不斷的發(fā)展。 它是一種設(shè)計與分析緊密結(jié)合、具有對模型不確定和對外界擾動不變化及魯棒性強等特點的控制方法， 其原理是利用控制的不連續(xù)性， 依靠其高頻轉(zhuǎn)換強